JP2014146663A - 冷却装置の製造方法、冷却装置及びこれを備えた電子部品パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却装置のコンパクト化を図ることを課題とする。
【解決手段】冷却装置の製造方法は、内部に冷媒の流通経路が形成された一体成形の冷却装置の製造方法であって、複数の櫛歯状部が設けられた流路形成板と天板及び底板を重ね合わせ、積層配置する工程と、積層配置された前記流路形成板と前記天板及び前記底板を拡散接合して一体化する工程と、を含む。前記溝形成工程において、前記冷媒の流通経路となる複数の溝を形成し、並列した複数の櫛歯状部と前記溝と交差する方向に延び、前記複数の櫛歯状部を接続する接続部を形成する。
【選択図】図3

Description

本発明は、冷却装置の製造方法、冷却装置及びこれを備えた電子部品パッケージに関する。
昨今、電子機器における演算処理速度の高速化、記憶容量の増加等に伴い、電子機器に組み込まれるLSI(Large Scale Integration)等の電子部品の発熱量が増大しており、これらを冷却する冷却装置が種々提案されている。例えば、特許文献1には、冷媒となる冷却流体と熱交換を行う冷却流路板と、この冷却流路板を覆う冷却流路カバーとを有する冷却装置が開示されている。この冷却装置では、冷却流路板により冷却流体が流れる複数の平行状の冷却溝が形成されている。また、複数の冷却流路板は、冷却流路溝が形成されている方向に配列された半導体デバイスの互いに相隣接する半導体デバイス同士の間に対応する部分の一部を横切り貫く貫通溝を有する。貫通溝には、乱流促進体が配置されている。このように特許文献1に開示された冷却装置は、冷却流路板と冷却流路カバーとの間における気密封止信頼性を高めるために、シーリング部材(Oリング)の装着や、ボルト締結措置を採用している。
特開2001−53206号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示された冷却装置は、複数の部品を組み立てることが必要となる。このため、製造コストが高くなる可能性がある。また、冷却装置を複数の部品を組み立てた構造体とする場合、各部材に部材の締結や接合のための領域を確保しなければならず、さらに、その際、構造体の強度を確保しなければならないため寸法が大きくなる。このような強度確保、寸法拡大の問題の影響は、冷却装置の構造体全体、個々の部材に及ぶ。部材の寸法の拡大は、部材の重量増にも繋がり、ひいては、冷却装置の重量が増して、その重量を支える基板やBGA(Ball Grid Array)の負担が大きくなることが考えられる。
さらに、部材の寸法拡大は、冷却装置の冷却効率にも影響を及ぼす可能性がある。すなわち、部材の強度を確保するために冷媒通路を形成する部材の板厚が増すと、発熱する電子部品と冷媒との距離が離れることになり、冷却効率が低下する可能性がある。
そこで、本明細書開示の冷却装置の製造方法、冷却装置及びこれを備えた電子部品パッケージは、冷却装置のコンパクト化を図ることを課題とする。なお、前記課題に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の課題の1つとして位置付けることができる。
本明細書開示の冷却装置の製造方法は、内部に冷媒の流通経路が形成された一体成形の冷却装置の製造方法であって、複数の櫛歯状部が設けられた流路形成板と天板及び底板を重ね合わせ、積層配置する工程と、積層配置された前記流路形成板と前記天板及び前記底板を拡散接合して一体化する工程と、を含む。
冷媒の流通経路となる溝が形成された流路形成板を天板及び底板とともに拡散接合することにより、一体成形の構造、すなわち、同一材料による同一体構造を有し、コンパクトな冷却装置を得ることができる。
また、本明細書開示の他の冷却装置の製造方法は、内部に冷媒の流通経路が形成された一体成形の冷却装置の製造方法であって、型枠内に前記流通経路を形成する中子と、母材を副材によってコーティングした粉末材料を配置する工程と、前記粉末材料を加熱して前記母材と前記副材を前記中子の融点よりも高い融点を有する合金に変化させるとともに焼結する工程と、前記中子を溶融して排出する工程と、を含む。
合金化することによって融点を上昇させることができる粉末材料を用いて冶金加工をすることにより、一体成形の構造、すなわち、同一材料による同一体構造を有し、コンパクトな冷却装置を得ることができる。
本明細書開示の冷却装置は、内部に複数の櫛板状部で区画された冷媒の流通経路が形成され、前記冷媒の流通方向を横切る方向に延び、前記複数の櫛板状部を接続する接続部を備えた同一材料による同一体構造を有する。また、本明細書開示の電子部品パッケージは、内部に複数の櫛板状部で区画された冷媒の流通経路が形成され、前記冷媒の流通方向を横切る方向に延び、前記複数の櫛板状部を接続する接続部を備えた同一材料による同一体構造を有する冷却装置と、電子部品を実装し、前記冷却装置が装着された基板と、を備える。
同一材料による同一体構造を有する冷却装置とすることにより、コンパクトな構造とすることができる。また、接続部を備えることにより、冷媒の流れを制御し、冷却効率を向上することができる。
本明細書開示の冷却装置の製造方法、冷却装置及びこれを備えた電子部品パッケージによれば、冷却装置のコンパクト化を図ることができる。
図1(A)は第1実施形態の冷却装置を天板側から観た斜視図であり、図1(B)は、第1実施形態の冷却装置を底板側から観た斜視図である。 図2は第1実施形態の冷却装置を備えた電子部品パッケージの図1におけるA−A線断面図である。 図3は第1実施形態の冷却装置の製造方法の一例を示すフロー図である。 図4は第1実施形態の冷却装置の拡散接合前の状態を示す説明図である。 図5(A)〜(C)はそれぞれ、第1実施形態の冷却装置に用いられる流路形成板を示す説明図である。 図6は流路形成板に形成される溝の幅と厚みの関係を示す説明図である。 図7は拡散接合の様子を模式的に示す説明図である。 図8(A)〜(C)は拡散接合による金属組織の変化を模式的に示す説明図である。 図9は第1実施形態の冷却装置内の冷媒の流通の様子を模式的に示す説明図である。 図10は第2実施形態の冷却装置を示す斜視図である。 図11は図10におけるB−B線断面図である。 図12は第3実施形態の電子部品パッケージの断面図である。 図13は第3実施形態の冷却装置の製造方法の一例を示すフロー図である。 図14は冶金加工による冷却装置の製造方法を示す説明図である。 図15は副材がコーティングされた母材が合金に変化する様子を模式的に示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されている場合がある。
(第1実施形態)
図1(A)は第1実施形態の冷却装置1を天板2側から観た斜視図であり、図1(B)は、第1実施形態の冷却装置1を底板5側から観た斜視図である。図2は第1実施形態の冷却装置1を備えた電子部品パッケージ100の図1におけるA−A線断面図である。
図1(A)、(B)を参照すると、基板10が鎖線で示されている。冷却装置1は、基板10に装着されて電子部品パッケージ100を形成している。冷却装置1と基板10との接合には、従来公知の接合方法を採用することができる。基板10には、BGA10aが形成され、電子部品の一例であるLSI11がアンダーフィル13を介して実装されている。冷却装置1は、天板2と底板5を備える。天板2は、冷媒導入口3と冷媒排出口4を備える。底板5は、凹部5aを備える。凹部5a内には、LSI11が収納されている。LSI11はTIM(Thermal Interface Material)12を介して底板5に接している。すなわち、冷却装置1は、LSI11を覆う蓋状の形状を有している。冷却装置1の内部には、複数のフィン17で区画された冷媒の流通経路15が形成されている。また、冷媒の流通方向、すなわち、冷媒導入口3から冷媒排出口4に向かう方向を横切る方向に延び、複数のフィン17を接続する接続部16a、16b、16cを備える。冷却装置1は、LSI11以外の他の電子部品を冷却することもできる。フィン17は、櫛板状部に相当し、後に詳述する櫛歯状部6d、7d、8dが積層され、一体化されることによって形成される。
冷却装置1は、同一材料による同一体構造を有する。具体的に、熱伝導性が良好である銅材によって一体的に形成されている。ここで、同一体構造とは、継ぎ目や接合部を有することなく一体化された構造であることを意味する。すなわち、冷却装置1は、原子的に結合され、金属組織レベルで一塊となった素材によって形成された構造である。なお、銅材は、一例であり、他の材料を用いることもできる。
このような冷却装置1の製造方法について、図3乃至図4を参照しつつ説明する。まず、ステップS1では、流路形成板6乃至8毎にエッチングによる溝形成を行う。
図4、図5を参照すると、流路形成板6は、空間6a及び6b、さらに、複数の溝6c及び複数の櫛歯状部6dを備える。空間6aは、完成時に冷媒導入口3が開口するスペースとなる。空間6bは、完成時に冷媒排出口4が開口するスペースとなる。溝6cは、冷媒の流通方向、すなわち、冷媒導入口3から冷媒排出口4に向かう方向に延びている。溝6cは、冷却装置1の完成時において冷媒の流通経路15を形成する。複数の櫛歯状部6dは、それぞれフィン形状を有し、溝6cと同様に冷媒の流通方向に沿って延びている。流路形成板6は、並列した複数の櫛歯状部6dと溝6cと交差する方向に延び、複数の櫛歯状部6dを接続する接続部6eを備える。この接続部6eは、冷却装置1の完成時において、接続部16aとなる。空間6a、6b、溝6c、櫛歯状部6d及び接続部6eは、エッチングによって形成する。これにより、流路形成板6の櫛歯状部6dと接続部6eは同じ厚さとされている。なお、空間6a、6bについては、別途、旋盤加工によって形成してもよい。
流路形成板7は、流路形成板6と同様に、空間7a及び7b、さらに、複数の溝7c及び複数の櫛歯状部7dを備える。空間7aは、完成時に冷媒導入口3が開口するスペースとなる。空間7bは、完成時に冷媒排出口4が開口するスペースとなる。溝7cは、冷媒の流通方向、すなわち、冷媒導入口3から冷媒排出口4に向かう方向に延びている。溝7cは、冷却装置1の完成時において冷媒の流通経路15を形成する。複数の櫛歯状部7dは、フィン形状を有し、溝7cと同様に冷媒の流通方向に沿って延びている。流路形成板7は、並列した複数の櫛歯状部7dと溝7cと交差する方向に延び、複数の櫛歯状部7dを接続する接続部7eを備える。この接続部7eは、冷却装置1の完成時において、接続部16bとなる。空間7a、7b、溝7c、櫛歯状部7d及び接続部7eは、エッチングによって形成する。これにより、流路形成板7の櫛歯状部7dと接続部7eは同じ厚さとされている。なお、空間7a、7bについては、別途、旋盤加工によって形成してもよい。
流路形成板8は、流路形成板6と同様に、空間8a及び8b、さらに、複数の溝8c及び複数の櫛歯状部8dを備える。空間8aは、完成時に冷媒導入口3が開口するスペースとなる。空間8bは、完成時に冷媒排出口4が開口するスペースとなる。溝8cは、冷媒の流通方向、すなわち、冷媒導入口3から冷媒排出口4に向かう方向に延びている。溝8cは、冷却装置1の完成時において冷媒の流通経路15を形成する。複数の櫛歯状部8dは、フィン形状を有し、溝8cと同様に冷媒の流通方向に沿って延びている。流路形成板8は、並列した複数の櫛歯状部8dと溝8cと交差する方向に延び、複数の櫛歯状部8dを接続する接続部8eを備える。この接続部8eは、冷却装置1の完成時において、接続部16cとなる。空間8a、8b、溝8c、櫛歯状部8d及び接続部8eは、エッチングによって形成する。これにより、流路形成板8の櫛歯状部8dと接続部8eは同じ厚さとされている。なお、空間8a、8bについては、別途、旋盤加工によって形成してもよい。
このように、各流路形成板6、7、8は、それぞれ接続部6e、7e、8eを備えるが、その形成位置は、冷媒の流通方向に沿って異なる位置としている。すなわち、流路形成板6が備える接続部6eは、冷媒の流通方向の上流側に位置している。このため、櫛歯状部6dは、下流側に自由端を有している。流路形成板7が備える接続部7eは、冷媒の流通方向の中流付近に位置している。このため、櫛歯状部7dは、上流側及び下流側に自由端を有している。流路形成板8が備える接続部8eは、冷媒の流通方向の下流側に位置している。このため、櫛歯状部8dは、上流側に自由端を有している。このように、各板を積層する工程おいて、天板2と底板5との間に、接続部6e、7e、8eの形成位置が冷媒の流通方向に沿って異なる複数の流路形成板6、7、8を配置する。この結果、接続部16a、16b、16cの位置がずれ、複数の流路形成板6、7、8を重ねた場合に、冷媒の流通経路が確保される。接続部6e、7e、8eは、上述の如く、冷却装置1の完成時において、接続部16a、16b、16cとなる。このため、接続部6e、7e、8eは、冷媒の流通状態を考慮して、設置される。
つぎに、ステップS2では、図4に示すように天板2、底板5及び流路形成板6、7、8を積層配置する。このように、複数の流路形成板6、7、8を積層配置することにより、冷却効率を向上させることができる。冷却効率を向上させるためには、冷媒経路15中に配置される壁の面積、すなわち、櫛板状部であるフィン17の総表面積が大きくなることが望ましい。ここで、フィン17は、各流路形成板6、7、8が備える櫛歯状部6d、7d、8dが積層されて一体化することによって形成される。そのため、フィン17の総表面積を拡大するためには、各流路形成板6、7、8において、できるだけ溝の数を増やし、櫛歯状部の数を増すことが望ましい。溝の数、櫛歯状部の数を増やすためには、溝の幅を狭めることが必要となるが、溝の幅は、加工条件の制限を受ける。この加工条件の一例について、図6を参照しつつ説明する。図6は、流路形成板6に設けられた溝6cの幅Wと深さDを示している。エッチングにより、溝6cを形成する場合、幅Wと深さDは、アスペクト比の制限を受ける。すなわち、幅Wを狭くすると、深さDも浅くなる。このため、幅Wを狭くしすぎると、溝6cは、流路形成板6を貫通することができなくなる。そこで、貫通すべき板厚を薄くし、幅Wが狭い溝6cの形成を可能とし、その一方で、複数の流路形成板を積層することにより、フィン17の総表面積を拡大することができる。なお、本実施形態では、3枚の流路形成板6、7、8を準備している。流路形成板は、少なくとも一枚以上準備されればよいが、複数枚の流路形成板を積層することにより、上述の如く、フィン17の総表面積を拡大することができる。流路形成板が一枚であるときは、櫛歯状部が櫛板状部、すなわちフィンとなる。
なお、図4を参照すると、ステップS2を実施する以前に天板1に冷媒導入口3及び冷媒排出口4が形成されているが、冷媒導入口3及び冷媒排出口4は、後の工程、例えば、ステップS3の後に形成してもよい。
ステップS2に引き続き行われるステップS3では、拡散接合を行う。すなわち、図7に示すように、積層配置した天板2、流路形成板6、7、8及び底板5に対し、不活性ガス環境下、または、真空環境下で加熱しつつ、天地方向から加圧する。図8(A)〜(C)は、流路形成板6と流路形成板7とが接合される様子を示している。図8(A)に示すように、当初、流路形成板6と流路形成板7との間には、空隙9が存在しているが、両者を加熱しつつ加圧することにより、図8(B)に示すように、空隙9は徐々に縮小する。そして、流路形成板6の金属組織61と流路形成板7の金属組織71は、図8(C)に示すように最終的に融合し、一体化される。このような現象が、各板体間で生じる。この結果、積層配置された全ての板体が金属組織レベルで一体化し、同一体構造である冷却装置1が形成される。
図9を参照すると、冷却装置1内の冷媒の流通の様子が模式的に示されている。冷媒の流通経路15内を流れる冷媒の流れは、冷媒が整流部分16a、16b、16cに衝突することにより、制御される。この結果、冷媒は攪拌され、冷却通路の上下方向、底板側と天板側との間で冷媒が流動し、熱交換効率、すなわち、冷却効率が向上する。
このような冷却装置1は、例えば溶接によって組み立てられた場合とは異なり、接合部を有さない。このため、接合部にストレスが加わることは想定されず、溶接箇所に生じる組成変化の心配からも開放される。また、流路形成板に溝を形成し、これを積層するため、各流路形成板毎に微細な溝加工を施すことにより、多彩な流路形状を形成することができる。
また、冷却装置1は、一体成形品であるため、部品点数が削減される。この結果、部材を組み立てる構造を採用した場合の部材の寸法拡大の要請から開放される。この結果、冷却装置1は、コンパクトな構造となっている。この結果、小容積で必要な強度が確保されている。さらに、電子装置に実装する際の高密度実装を可能としている。また、コンパクトな構造となり、部品容積の減少に伴って、重量も軽減されている。重量が軽減されることにより、BGA10aへの負担が軽減され、また、基板10の反りが効果的に抑制される。この結果、電子部品パッケージ100、ひいていは電子装置の信頼性が向上する。
さらに、コンパクト化に伴って強度に余裕を持たせることができるので、各部の肉厚を薄く設定することができる。この結果、冷媒とLSI11とを接近させることができ、熱抵抗を低減し、冷却効率を高めることができる。さらに、冷却装置1がコンパクトになることにより、電子装置の筐体内の隙間を拡大することができ、筐体内の空気の流れが良好となる。この結果、電子装置に搭載される他の空冷部品の冷却効果が向上する。
さらに、冷却装置1は、同一体構造であり、継ぎ目がないことから、液漏れが生じる可能性から開放される。これにより、製品試験において、気密性試験を除外することも可能となる。この結果、信頼性試験の工程を短縮することができる。また、シーリング材が不要となることから、シーリング材の劣化の心配もなく、従来と比較して、長期間にわたり、メンテナンスフリーの状態で、高い信頼性の下に機器を動作させることができる。
(第2実施形態)
つぎに、第2実施形態について図10、図11を参照しつつ説明する。図10は第2実施形態の冷却装置30を示す斜視図である。図11は図10におけるB−B線断面図である。冷却装置30が第1実施形態の冷却装置1と異なる点は、冷却装置30が、天板32側と底板35側にそれぞれ凹部32a、35aと備えている点である。凹部32a、35aには、それぞれ、基板10に実装されたLSI11が収納される。これにより、冷却装置30は、複数の面に基板10を装備した電子部品パッケージ110を形成することができる。冷却装置30と基板10との接合には、従来公知の接合方法を採用することができる。冷却装置30は、内部に冷媒36の流通経路36を備え、また、接続部37a〜37fを備えている。
冷却装置30は、第1実施形態と同様に、天板32と底板35との間に流路形成板を配置し、拡散接合することによって形成される。このため、冷却装置30は、第1実施形態の冷却装置1と同様に、金属組織レベルで一体化した同一体構造を有する。これにより、第2実施形態の冷却装置30は、第1実施形態の冷却装置1と同様の効果を奏することができる。なお、冷却装置30は、第1実施形態とは異なり、冷却装置30の側面に冷媒導入口33及び冷媒排出口34を備える。これらは、拡散接合後にドリル加工によって形成する。
(第3実施形態)
つぎに、第3実施形態について、図12乃至図15を参照しつつ説明する。図12を参照すると、冷却装置40は、第1実施形態の冷却装置1と同様に、冷媒導入口42、冷媒排出口43及び冷媒の流通経路41を備える。また、基板10に実装されたLSI11を収納する凹部44を備えている。冷却装置40は、基板10に装着されることにより、第1実施形態と同様に電子部品パッケージ120を形成する。ただし、冷却装置40は、第1実施形態の冷却装置1と異なり、接続部を備えていない。このように、接続部を備えていない冷却装置1は、以下に説明する方法によって製造することができる。以下、図13に示すフロー図に従って、その製造方法について説明する。
まず、ステップS11において、図14に示すように型枠50内に材料52と中子51a、51bを配置する。中子51aは、流通経路41を形成する。中子51bは、凹部44を形成する。材料52は、図15に示すように母材52aの周囲を副材52bでコーティングした粉末材料である。材料52は、加熱することによって母材52aと副材52bとの合金52cとなり、焼結することができる。ここで、焼結温度をT1とする。また、中子51a、51bの溶融温度をT2とする。また、合金52cの融点をT4とする。これらの温度間には、T1<T2<T4の関係が成立する。
ステップS12では、残留部分、すなわち、冷却装置40の外形を形成する材料52を合金52cとして、その融点を上昇させるための措置を実行する。具体的に、材料52の温度をT1に上昇させる。これにより、母材52aと副材52bとが、融点がT4である合金52cに変化する。
ステップS13では、中子51a、51bを溶融し、排出する。具体的に、T2<T3<T4の条件を満たす温度T3に温度設定する。これにより、合金52cは、溶融することなくその形状を維持し、中子51a、51bだけが溶融する。溶融した中子51a、51bの材料を排出すれば、同一材料による同一体構造である冷却装置40を得ることができる。
上記第1実施形態〜第3実施形態では、冷媒の流通方向は、一方向とされているが、例えば、冷媒の流通経路を屈曲させて、冷却装置内で冷媒が往復するようにしてもよい。また、冷媒の流通経路を往路と復路で分け、冷媒の流通方向を対向する方向としてもよい。また、冷媒の流通経路に柱状部を設けてもよい。柱状部を設けることにより、冷却装置の強度が増し、また、冷媒の流れを制御して、冷却効率を向上させることができる。また、冷媒導入口や冷媒排出口の数は、適宜変更することができる。さらに、冷却装置は、冷却方式として、沸騰現象を利用することもできる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
1、30、40 冷却装置
2 天板
3 冷媒導入口
4 冷媒排出口
5 底板
5a 凹部
6、7、8 流路形成板
6a、6b、7a、7b、8a、8b 空間
6c、7c、8c 溝
6d、7d、8d 櫛歯状部
6e、7e、8e 接続部
10 基板
11 LSI(電子部品)
12 TIM
13 アンダーフィル
15 流路
16a〜c、37a〜f 接続部
17 フィン(櫛板状部)
100、110、120 電子部品パッケージ

Claims (7)

  1. 内部に冷媒の流通経路が形成された一体成形の冷却装置の製造方法であって、
    複数の櫛歯状部が設けられた流路形成板と天板及び底板を重ね合わせ、積層配置する工程と、
    積層配置された前記流路形成板と前記天板及び前記底板を拡散接合して一体化する工程と、
    を含む冷却装置の製造方法。
  2. 前記流路形成板は、前記複数の櫛歯状部と交差する方向に延び、前記複数の櫛歯状部を接続する接続部を有する請求項1に記載の冷却装置の製造方法。
  3. 前記積層配置する工程において、前記天板と前記底板との間に、前記接続部の形成位置が前記冷媒の流通方向に沿って異なる複数の前記流路形成板を配置する請求項2に記載の冷却装置の製造方法。
  4. 前記前記流路形成板の櫛歯状部と前記接続部は同じ厚さである請求項2又は3に記載の冷却装置の製造方法。
  5. 内部に冷媒の流通経路が形成された一体成形の冷却装置の製造方法であって、
    型枠内に前記流通経路を形成する中子と、母材を副材によってコーティングした粉末材料を配置する工程と、
    前記粉末材料を加熱して前記母材と前記副材を前記中子の融点よりも高い融点を有する合金に変化させるとともに焼結する工程と、
    前記中子を溶融して排出する工程と、
    を含む冷却装置の製造方法。
  6. 内部に複数の櫛板状部で区画された冷媒の流通経路が形成され、前記冷媒の流通方向を横切る方向に延び、前記複数の櫛板状部を接続する接続部を備えた同一材料による同一体構造を有する冷却装置。
  7. 内部に複数の櫛板状部で区画された冷媒の流通経路が形成され、前記冷媒の流通方向を横切る方向に延び、前記複数の櫛板状部を接続する接続部を備えた同一材料による同一体構造を有する冷却装置と、
    電子部品を実装し、前記冷却装置が装着された基板と、
    を備える電子部品パッケージ。
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